Giáo trình "Điều khiển tự động"

Chia sẻ: Vũ Văn Nghĩa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:77

2
549
lượt xem
399
download

Giáo trình "Điều khiển tự động"

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong lịch sử, những thuỷ thủ đầu tiên cũng là những kỉ sư điều khiển hàng hải đầu tiên. Khi hành trình tàu bắt đầu chuyển sang hướng mà anh không mong đợi, anh ta bắt đàu chèo thuyền bằng chân và tay để đẩy thuyền theo hướng mà anh ta thích hơn. Người thủy thủ đã tự nhận ra những điều kiện không mong muốn và đã làm một việc là tạo ra một quá trình dịch chuyển trong giới hạn chấp nhận được do anh tự đặt ra....

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Giáo trình "Điều khiển tự động"

  1. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Mục lục 1 Các khái niệm cơ bản về điều khiển tự động 1-4 1.1 Giới thiệu chung 1-4 1.1.1 Ưu điểm của tự động điều khiển 1-5 1.1.2 Nhược điểm của tự động hoá. 1-6 1.2 Các khái niệm cơ bản về điều khiển tự động 1-7 1.2.1 Tín hiệu 1-7 1.2.2 Thông tin (information) 1-7 1.2.3 Truyền tin, giao tiếp (Communication) 1-7 1.2.4 Điều khiển (Control) 1-7 1.2.5 Điều khiển mạch hở, điều khiển bằng tay (Open loop, Manual control) 1-8 1.2.6 Điều khiển mạch kín (Close loop control, feedback control) 1-9 1.2.7 Đối tượng được điều khiển (Controlled Process, Plant, Object) 1-10 1.2.8 Biến được điều khiển y(t) (Controlled Variable) 1-11 1.2.9 Bộ điều khiển (Controller) 1-11 1.2.10 Phần tử đo, cảm biến (Measuring element, sensor): 1-12 1.2.11 Tín hiệu cho trước (set point) [r] 1-12 1.2.12 Phần tử cho trước (Bộ tạo tín hiệu cho trước) 1-12 1.2.13 Độ lệch (error, deviation)[e(t)] 1-12 1.2.14 Phần tử so sánh, bộ cộng tín hiệu (Comparison element, summing point) 1-12 1.2.15 Bộ chế biến tín hiệu (Processing unit, Computer v.v.) 1-13 1.2.16 Bộ thực hiện (Actuator) 1-13 1.2.17 Cơ cấu điều chỉnh (Adjusting mechanism, Adjusting organ) 1-13 1.2.18 Phần tử thực hiện cuối (Final control element) 1-13 1.2.19 Biến tác động u(t) (Manipulated variable) 1-13 1.2.20 Tín hiệu tác động (Actuating signal) 1-13 1.2.21 Nhiễu loạn (Disturbances) 1-13 1.2.22 Tải của hệ thống (Load) 1-14 1.2.23 Phân biệt biến số và thông số (variable vs. parameter) 1-14 1.3 Các nguyên lý điều khiển cơ bản nhất 1-14 1.3.1 Nguyên lý điều khiển theo độ lệch (feedback control) 1-14 1.3.2 Nguyên lý điều khiển tiếp tới (bù trừ nhiễu - feedforward control) 1-15 Trang - 1 -
  2. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 1.3.3 Bộ điều khiển nhiều xung (multi-element controller) 1-17 1.4 Phân loại bộ điều khiển 1-19 1.5 Sơ đồ khối 1-21 1.6 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển. 1-23 1.7 Ví dụ và bài tập 1-24 1.7.1 Ví dụ HÌNH 1-4 , hệ thống điều khiển nhiệt độ phòng học. 1-24 1.7.2 Bài tập: 1-28 2 Biến đổi Laplace – Hàm truyền – Sơ đồ khối – Mô hình toán. 2-31 2.1 Phép biến đổi Laplace 2-31 2.1.1 Phép biến đổi Laplace 2-31 2.1.2 Một số hàm cơ bản và ảnh Laplace của chúng 2-32 2.1.3 Các định lý cơ bản 2-36 2.1.4 Các tính chất cơ bản của phép biến đổi Laplace thuận (Bảng 2-1) 2-38 2.2 - Hàm truyền 2-38 2.2.1 Khái niệm hàm truyền: 2-38 2.2.2 Biểu thức tổng quát của hàm truyền: 2-39 2.2.1 Nhận xét về hàm truyền 2-39 2.3 Xây dựng và biến đổi sơ đồ khối 2-40 2.3.1 Sơ đồ khối của mạch kín. 2-40 2.3.2 Hàm truyền của hai khâu mắc nối tiếp 2-40 2.3.3 Hàm truyền của hai khâu mắc song song 2-41 2.3.4 Hàm truyền mạch hở và hàm truyền mạch cấp tới. 2-41 2.3.5 Hàm truyền mạch kín (Closed-loop transfer function). 2-42 2.3.6 Hàm truyền của mạch kín đối với nhiễu. 2-42 2.3.7 Thủ tục vẽ một sơ đồ khối. 2-44 2.3.8 Rút gọn sơ đồ khối. 2-45 2.4 Thiết lập mô hình toán cho các hệ thống động lực học 2-48 2.4.1 Các khái niệm cơ bản. 2-48 2.4.2 Tuyến tính hóa các mô hình toán học phi tuyến. 2-50 2.4.3 Ví dụ lập mô hình toán hệ động lực 2-52 3 Các hoạt động điều khiển cơ bản và các bộ điều khiển cơ bản 3-57 3.1 On-off 3-57 3.2 P 3-57 3.3 I 3-57 Trang - 2 -
  3. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 4 Xử lý tín hiệu tương tự 3-58 4.1 Khái niệm chung 3-58 4.2 Các nguyên lý chế biến tín hiệu tương tự. 3-58 4.2.1 Thay đổi cường độ tín hiệu 3-59 4.2.2 Tuyến tính hoá 3-59 4.2.3 Chuyển đổi dạng tín hiệu 3-59 4.2.4 Lọc và phối hợp trở kháng 3-59 4.2.5 Khái niệm nạp tải 3-59 4.3 Các mạch thụ động. 3-61 4.3.1 Mạch phân áp (Divider Circuits) 3-62 4.3.2 Cầu Wheatstone (Bridge) 3-63 4.4 Mạch khuếch đại thuật toán (Operational Amplifier- Op Amp) 3-68 4.4.1 Tính chất của bộ khuếch đại thuật toán 3-68 4.4.2 Bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng. 3-68 4.4.3 Một số ứng dụng của các bộ khuếch đại thuật toán 3-70 Trang - 3 -
  4. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Chương 1 1 Các khái niệm cơ bản về điều khiển tự động 1.1 Giới thiệu chung Trong lịch sử, những thuỷ thủ đầu tiên cũng l{ những kĩ sư điều khiển h{ng hải đầu tiên. Khi h{nh trình t{u bắt đầu chuyển sang hướng m{ anh không mong đợi, anh ta bắt đầu chèo thuyền bằng ch}n v{ tay để đẩy thuyền đi theo hướng m{ anh ta thích hơn. Người thuỷ thủ đ~ tự nhận ra những điều kiện không mong muốn v{ đ~ l{m một việc l{ tạo ra một qu| trình dịch chuyển trong giới hạn chấp nhận được do anh tự đặt ra. Từ khi có b|nh l|i, người thuỷ thủ cầm l|i cùng b|nh l|i đ~ cải thiện chất lượng v{ hiệu quả của hệ thống điều khiển. C|c hệ thống điều khiển ng{y nay, về nguyên tắc, giống hệt như hệ thống điều khiển đ~ mô tả ở trên. Sỹ quan m|y nhìn đồng hồ vòng quay, hoặc đếm số vòng quay m|y chính, rồi so s|nh với vòng quay định trước, sau đó tiến h{nh đóng mở van hơi, hoặc thay đổi lượng nhiên liệu cấp, l{m cho vòng quay phục hồi v{ do v{y điều khiển được tốc độ t{u. Nếu sỹ quan m|y đứng t|ch ra ngo{i, thay v{o đó l{ một thiết bị dùng để đo độ sai lệch giữa số vòng quay thực tế với số vòng quay mong muốn, rồi nó tự định ra quyết định thay đổi độ mở van cấp nhiên liệu cho động cơ thì hệ thống được gọi l{ đ~ tự động ho|. Hệ thống tự động ho| l|i t{u đầu tiên dùng một c|nh buồm nhỏ gắn trên một cột buồm l|i để phục hồi lại hướng đi của t{u. Năm 1774 James Watt đ~ thiết kế một động cơ được tự động ho| đầu tiên có dùng một bộ điều tốc quả v{ng có liên hệ ngược để điều khiển dòng hơi v{ do v{y l{ tốc độ động cơ. C|c hệ thống trước đ}y thường rất đơn giản v{ tự t|c động. Tự t|c động (hay l{ t|c động trực tiếp) nghĩa l{ qu| trình điều khiển cũng còn cấp năng lượng cần thiết để điều khiển cơ cấu thực hiện. T{i liệu n{y chủ đích dùng cho sinh viên ng{nh m|y t{u thủy, những người sau khi tốt nghiệp sẽ thường xuyên l{m việc trong môi trường quốc tế m{ tiếng Anh được dùng phổ biến. Do vậy, một số kh|i niệm cơ bản, một số thuật ngữ, thậm chí cả một số chú thích trên hình cũng được để cả ở Tiếng Anh v{ Tiếng Việt, hòng giúp người đọc sau n{y bớt khó khăn khi tìm c|c thuật ngữ tự động điều khiển trong Tiếng Anh. Trang - 4 -
  5. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Hình 1-1: Bộ điều tốc ly tâm kiểu Watt (1788) lắp đặt trên một máy hơi nước Boulton and Watt tại Bảo tàng khoa học, London. 1.1.1 Ưu điểm của tự động điều khiển Nâng cao hiệu suất Hiệu suất của hệ thống được n}ng cao nhờ giảm công suất cần dùng, giảm chi phí bảo dưỡng, tăng độ nhạy, độ chính x|c v{ tính chắc chắn, cải thiện điều kiện l{m việc v{ giảm sức lao động. Nếu hệ thống tự động được thiết kế ho{n chỉnh thì hệ thống tự động điều khiển sẽ hoạt động với hiệu suất cao nhất trong c|c giới hạn nhất định. Một hệ tự động điều khiển có thể cảm biến cực kỳ nhạy đối với bất kỳ thông số n{o m{ người thiết kế có thể lựa chọn v{ do đó chất lượng của đầu ra v{ hiệu suất của qu| trình không còn bị giới hạn hoặc phụ thuộc v{o sự nhạy bén của người vận h{nh nữa. Ví dụ, hệ m|y l|i hiện đại có thể được bổ sung thêm rất nhiều đầu v{o, ví như đo gia tốc của con t{u m{ giảm bớt lực bẻ l|i cần dùng nhờ tiến h{nh hiệu chỉnh b|nh l|i sớm lên, do v{y giảm được sự mất m|t tốc độ từ việc bẻ l|i qu| lớn. Một ví dụ rất quan trọng trong buồng m|y l{ việc cấp nước v{ điều khiển qu| trình ch|y trong c|c nồi hơi hiện đại. Người đốt lò không thể duy trì mực nước hoặc tốc độ đốt lò tốt như một hệ tự động được thiết kế tốt. Nhờ độ nhạy cao của hệ thống điều khiển cấp nước, c|c nồi hơi hiện đại có thể được hoạt động ở nhiệt độ cao hơn với trống hơi nhỏ hơn, do đó hiệu suất cao hơn. Trang - 5 -
  6. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Với c|c qu| trình m{ kết quả của nó l{ c|c sản phẩm thì sử dụng c|c hệ thống tự động có thể cải thiện tính chắc chắn của sản phẩm vì tất cả c|c lượng không chắc nhỏ bé v{ c|c biến động trong sản phẩm g}y ra bởi sai sót hoặc sự không chú ý của con người đều có thể được loại trừ, do v{y giảm bớt c|c sản phẩm kém chất lượng. Khi hệ thống tự động điều khiển duy trì hoặc có hiệu suất, tính tin cậy v{ an to{n cao hơn c|c hệ hoạt động bằng tay thì ta có thể giảm số nh}n viên v{n h{nh. Giản số nh}n viên trên t{u không những l{m giảm lương m{ còn giảm c|c chi phí trợ giúp cho họ bao gồm giảm chi phí trang thiết bị phòng ở, không gian sinh hoạt, chỗ chứa đồ, thức ăn thức uống v.v. Giảm chi phí bảo quản C|c qu| trình được điều khiển với hiệu suất cao nhất có thể có mức m{i mòn ít hơn, ít ngừng trệ hơn so với c|c hệ v{n h{nh bằng tay, do v{y ít phải bảo dưỡng hơn. Điều đó có được l{ nhờ ứng suất v{ tải đặt trên hệ thống có điều khiển tự động nhỏ hơn so với ở hệ điều khiển bằng tay. Cũng có thể l{ chi phí bảo dưỡng cho hệ điều khiển sẽ vượt qu| lượng giảm chi phí cho bảo dưỡng c|c thiết bị của qu| trình công nghệ, nhưng hiếm khi như v{y. V{ nếu c}n nhắc đến việc giảm chi phí sửa chữa nhờ giảm c|c hư hỏng ở thiết bị do sự thiếu kinh nghiệm của người v{n h{nh thì hệ tự động điều khiển bao giờ cũng có chi phí duy tu thấp hơn. Tăng tính an toàn C|c thiết bị tự động hóa hoạt động chính x|c không tạo ra c|c sai lệch m{ người hay mắc ph{i như mở v{ điều tiết sai chiều, hoặc quay b|nh l|i sang phải trong khi được lệnh quay b|nh l|i sang tr|i. Nếu hệ thống tự động điều khiển liên tục nhận được c|c dữ liệu đúng đắn v{ tin cậy thì hệ tự động về nguyên tắc sẽ tin cậy hơn nhiều so với hệ không tự động. C|c trục trặc xảy ra l{ vì chính c|c mạch điều khiển có thể có khả năng hư hỏng nhất định. Nếu tính an to{n của hệ thống tự động điều khiển giảm đi khi được tự động hóa thì phải xem xét kỹ lưỡng để phục hồi lại tính an to{n cho nó. Ơ Mỹ, sẽ l{ bất hợp ph|p nếu lắp đặt c|c hệ tự động hóa trên c|c t{u treo cờ Mỹ m{ nó lại không an to{n bằng hệ điều khiển bằng tay m{ hệ này thay thế. 1.1.2 Nhược điểm của tự động hoá. Nếu trình độ người dùng thỏa m~n, thiết kế chế tạo hợp lý, có tính đến tính kinh tế, thì c|c hệ thống tự động điều khiển sẽ không có c|c nhược điểm. C|c hệ thống tự động điều khiển chính xác đòi hỏi nhiều lỗ lực thiết kế hơn, kỹ năng người lao động cao hơn, thử nghiệm phức tạp hơn, chi phí huấn luyện v{ chi phí thiết bị cao hơn. Tuy nhiên nếu c|c chi phí cho tuổi thọ thiết bị m{ không giảm đi nhờ tự động hóa thì có thể không nên |p dụng tự động hóa. Cũng nên lưu ý rằng c|c hệ thống tự động điều khiển m{ bị đấu tắt do người vận hành không biết c|ch khống chế nó, không thích hoặc không thể hiểu được nó hoạt động ra sao thì sẽ không thể n{o mang lại hiệu quả m{ người thiết kế mong có. Trang - 6 -
  7. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 1.2 Các khái niệm cơ bản về điều khiển tự động 1.2.1 Tín hiệu Tín hiệu (signal) l{ một hiển thị, như l{ điệu bộ hoặc |nh đèn m{u, l{m phương thức để truyền thông tin (communication). Tín hiệu có thể l{ thông điệp được truyền theo phương thức như hiển thị hoặc điệu bộ vừa nêu. Trong cơ khí, tín hiệu có thể l{ chuyển vị, l{ mức biến đổi của |p suất, nhiệt độ. Trong điện, tín hiệu có thể l{ một xung hoặc một sự thay đổi của c|c đại lượng điện như điện |p, dòng điện, hoặc từ trường m{ sự thay đổi đó đại diện cho một thông tin đ~ quy chuẩn. Trong c|c lĩnh vực đời sống thực, tín hiệu có thể l{ }m thanh, hình ảnh hoặc thông điệp được truyền đi v{ nhận được qua điện b|o, điện thoại, truyền thanh, truyền hình v.v. Ví dụ: Thông tin về nhiệt độ cao hay thấp có thể truyền trong môi trường keo, khi một hộp keo được dùng để đo nhiệt độ, vì ta biết keo gi~n nở ra khi nhiệt độ của nó cao, thu nhỏ lại khi nhiệt độ của nó giảm. Khi n{y, tín hiệu về nhiệt độ chính l{ sự gi~n nở của khối keo trong một hộp. 1.2.2 Thông tin (information) Thông tin l{ kiến thức, l{ hiểu biết có được từ nghiên cứu, kinh nghiệm hoặc được chỉ dẫn. Nó cũng có thể l{ hiểu biết về c|c sự kiện hoặc tình huống được thu thập hoặc nhận được từ giao tiếp. Hoặc nó l{ tập hợp c|c sự thật hoặc dữ liệu. 1.2.3 Truyền tin, giao tiếp (Communication) Truyền tin, hay giao tiếp, l{ hoạt động hoặc việc truyền thông tin, hoặc l{ thông tin được truyền đi; hoặc nó l{ qu| trình m{ thông tin được trao đổi giữa c|c c| thể thông qua một hệ thống chung của c|c biểu tượng, ký hiệu hoặc th|i độ. 1.2.4 Điều khiển (Control) Điều khiển có nghĩa l{ ra lệnh, hướng dẫn, khống chế, điều chỉnh hoặc duy trì. Thuật ngữ “điều khiển” được dùng để bao h{m rất nhiều c|c hoạt động. Hiện thời, ta nên định nghĩa nó c{ng kh|i qu|t c{ng tốt, vì một hệ thống điều khiển cụ thể có thể thực hiện một hoặc nhiều c|c chức năng n{y. Điều khiển có hai t|c động quan trọng. Thứ nhất, điều khiển nghĩa l{ can thiệp v{o hoặc tương t|c với “c|i” đang được điều khiển. Thứ hai, điều khiển nghĩa l{ có một “bộ điều khiển” (controller) v{ một c|i gì đó để thực thi t|c động điều khiển (bộ thực hiện - Actuator). Mạch điều khiển (control loop) l{ một tập hợp c|c phần tử, chi tiết, thiết bị có quan hệ với nhau để thực hiện một chức năng điều khiển. C|c th{nh phần cơ bản trong một mạch điều khiển gồm: cảm biến, thiết bị ra lệnh, thiết bị so s|nh tính độ lệch, thiết bị thực hiện lệnh điều khiển v{ một đối tượng được điều khiển. Trang - 7 -
  8. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 1.2.5 Điều khiển mạch hở, điều khiển bằng tay (Open loop, Manual control) HÌNH 1-2 l{ sơ đồ một mạch điều khiển mạch hở, không có phản hồi. Mức nước trong két (h) l{ biến được điều khiển, nhưng nó lại không được đo, được theo dõi. Người điều khiển sẽ ra lệnh đóng, mở van. Các t|c động nhiễu như độ mở van cấp thay đổi, độ mở van ra thay đổi v.v. l{m cho mức nước trong két thay đổi. Nhưng, c|c nhiễu đó lại không được bù trừ t|c động. Vậy, mạch điều khiển hở l{ mạch có t|c động điều khiển hở, một chiều, không có tín hiệu phản hồi. Mạch điều khiển hở chỉ nên được dùng ở những nơi m{ t|c động nhiễu không l{m thay đổi đ|ng kể gi| trị của biến được điều khiển; Hoặc kết quả điều khiển ho{n to{n có thể dự đo|n trước được. Hình 1-2: Một ví dụ về hệ thống điều khiển mạch hở, điều khiển mực nước (h) trong két Điều khiển mạch hở chỉ có ích khi hệ thống được x|c định tốt trong đó mối liên hệ giữa t|c động đầu v{o v{ trạng th|i của kết quả có thể mô hình hóa bằng một biểu thức to|n học. Ví dụ, có thể quyết định mức điện |p cấp v{o một động cơ điện lai một tải cố định để quyết định tốc độ quay của động cơ đó. Nhưng nếu tải của động cơ l{ không dự đaon1 được thì tốc độ động cơ phụ thuộc nhiều cả v{o tải v{ điện |p cấp, do vậy hệ điều khiển mạch hở không thể điều khiển tốt được tốc độ động cơ điện. Trang - 8 -
  9. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Bộ điều khiển mạch hở thường được dùng trong c|c qu| trình đơn giản vì tính đơn giản v{ gi| th{nh thấp của nó, đặc biệt trong c|c hệ không cần lắm đến phản hồi. ví dụ điển hình l{ m|y giặt, vì thời gian của từng công đoạn giặt, xả, vắt có thể định trước bởi người dùng. Tuy nhiên, khi cần m|y phải tự thay đổi qu| trình giặt cho phù hợp với trọng lượng giặt, thậm chí loại vải được giặt thì phải cần đến hệ thống điều khiển phức tạp hơn, như điều khiển thích nghi (adaptive controller), có phản hồi (mạch kín), hoặc kết hợp v.v. 1.2.6 Điều khiển mạch kín (Close loop control, feedback control) Hình 1-3: Hệ thống điều khiển mạch kín mực nước trong két (h) So với sơ đồ trong HÌNH 1-2, hệ điều khiển mạch kín mực nước trong két, HÌNH 1-3, có thêm bộ phận đo mực nước thực tế (h) trong két, theo nguyên tắc cơ bản l{ nếu cần phải điều khiển c|i gì thì ta phải đo c|i đó trước. Từ đó, tín hiệu về mực nước thực trong két được đưa về bộ chế biến tín hiệu để so s|nh với gi| trị mong muốn về mực nước (hr) trong két. Nếu hr – h > 0, nghĩa l{ mực nước trong két thấp hơn mong muốn, vậy bộ chế biến tín hiệu sẽ phải gia công ra một t|c động điều khiển để mở rộng thêm van cấp nước nhằm duy trì mực nước cao trở lại bằng với gi| trị mong muốn. V{ ngược lại, nếu hr – h < 0. Vai trò Trang - 9 -
  10. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương của người điều khiển lúc n{y chỉ l{ gi|m s|t qu| trình hoạt động, v{ đặt trước gi| trị mực nước mong muốn (hr). Nguyên lý điều khiển như vừa nêu trên được ứng dụng rất phổ biến trong công nghiệp, vì tính hiệu quả cao, đơn giản, gi| th{nh thấp. Người ta thường gọi hoạt động điều khiển n{y l{ có phản hồi (feedback control). Hệ thống điều khiển mạch kín lý tưởng có thể khử hết được c|c sai số, giảm nhẹ có hiệu quả c|c ảnh hưởng của của c|c lực có thể hoặc không có thể ph|t sinh trong qu| trình hoạt động v{ tạo ra một đ|p ứng trong hệ thống phù hợp với mong muốn của người sử dụng. Trong thực tế, không thể có hệ điều khiển lý tưởng như vậy vì có độ trễ trong c|c phép đo c|c sai số (độ lệch) v{ tính không hoàn hảo của c|c t|c động điều khiển. C|c bộ điều khiển mạch kín (feedback controllers) có c|c ưu điểm sau đ}y so với c|c bộ điều khiển mạch hở (feedforward controllers):  Khử được nhiễu  Đảm bảo hoạt động được ngay cả khi mô hình điều khiển không chắc chắn, nghĩa l{ khi cấu trúc của mô hình không ho{n to{n giống với cấu trúc thực của đối tượng được điều khiển v{ c|c thông số của mô hình không chính x|c.  Có thể ổn định đối tượng được điều khiển không ổn định  Giảm tính nhạy đối với c|c sự thay đổi của c|c đại lượng thuộc đối tượng được điều khiển. 1.2.7 Đối tượng được điều khiển (Controlled Process, Plant, Object) Đối tượng được điều khiển l{ một m|y móc, thiết bị, qu| trình, hoặc hệ thống m{ nó có một số đại lượng đặc trưng, v{ c|c đại lượng đặc trưng n{y lại cần phải được điều khiển theo ý muốn của con người. Ví dụ như l{ qu| trình thắp s|ng một bóng đèn, sưởi nóng một căn phòng, hoăc l|i xe trên đường. Đối tượng được điều khiển có thể l{ một qu| trình vật lý, hóa học, cơ học v.v v{ chúng có thể tồn tại khắp mọi nơi trong vũ trụ. Ví dụ 1: HÌNH 1-3 – đối tượng được điều khiển l{ két nước, với biến được điều khiển l{ mức nước (h). Ví dụ 2: Đối tượng được điều khiển có thể l{ một phòng học khi ta muốn điều khiển nhiệt độ trong phòng (T). Xem HÌNH 1-4. T|c động điều khiển l{ việc hâm nóng phòng khi nhiệt độ trong phòng (T) thấp, l{m m|t phòng học khi nhiệt độ trong phòng cao hơn mức mong muốn (Tr). Khi đó nhiệt độ trong phòng (T) l{ một đại lượng đặc trưng trong số nhiều đại lượng trong số nhiều đại lượng đặc trưng cho phòng học, m{ nó (nhiệt độ không khí trong phòng, T) cần phải được điều khiển theo ý muốn của chúng ta. Trang - 10 -
  11. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Hình 1-4: Hệ thống điều khiển tự động nhiệt độ phòng học 1.2.8 Biến được điều khiển y(t) (Controlled Variable) Biến được điều khiển [y(t)] l{ một đại lượng đặc trưng của đối tượng được điều khiển, nó được chọn, được đo v{ được điều khiển trực tiếp bởi một bộ điều khiển thích hợp. Ví dụ: Nhiệt độ không khí trong phòng học (T); Mức nước trong két (h). Nhiệt độ trong phòng học l{ một biến được điều khiển, vì nó l{ một trong những đặc trưng của phòng học, m{ người ta lại muốn nhiệt độ trong phòng kh| điều hòa, làm cho người ngồi học v{ người dạy dễ chịu. Tuy nhiên, trong phòng học còn có nhiều đại lượng đặc trưng kh|c, như số người ngồi học, chất lượng giảng dạy v.v. m{ tùy theo nhu cầu cụ thể m{ ta có thể chọn thêm một v{i đại lượng được điều khiển kh|c, đương nhiên lại phải có thêm bộ điều khiển phù hợp. 1.2.9 Bộ điều khiển (Controller) Bộ điều khiển l{ một sự kết hơp của c|c phần tử (không nhất thiết chỉ l{ cơ khí) có hoạt động cùng nhau để cảm biến gi| trị của đại lượng n{o đó thuộc đối tượng được điều khiển v{ đưa ra c|c t|c động để ra lệnh, hướng dẫn, khống chế, điều chỉnh hoặc duy trì gi| trị của đại lượng đó. Một ví dụ đơn giản, bộ điều khiển có thể l{ một hệ đo tốc độ t{u rồi điều chỉnh công suất t|c dụng của động cơ chính để duy trì tốc độ t{u ở gi| trị cụ thể n{o đó m{ ta định trước. Trang - 11 -
  12. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 1.2.15 Bộ chế biến tín hiệu (Processing unit, Computer v.v.) Bộ chế biến tín hiệu (bộ điều khiển cơ bản) l{ một th{nh phần của bộ điều khiển dùng để ph}n tích độ lệch, rồi chế biến tín hiệu độ lệch n{y theo một quy luật n{o đó để xuất ra tín hiệu dẫn động bộ thực hiện dẫn tới l{m thay đổi biến t|c động theo ý muốn của ta. Các hoạt động điều khiển, c|c chương trình điều khiển, hay c|c quy luật điều khiển được chế biến tại đ}y. 1.2.16 Bộ thực hiện (Actuator) Bộ thực hiện nhận tín hiệu ra l{ tín hiệu t|c động (actuating signal) từ bộ chế biến tín hiệu chính (bộ điều khiển cơ bản) rồi gia công v{ khuếch đại công suất cho tín hiệu n{y để gửi tới cơ cấu điều chỉnh để t|c động lên khối lượng v{ dòng năng lượng của đối tượng được điều khiển. 1.2.17 Cơ cấu điều chỉnh (Adjusting mechanism, Adjusting organ) Cơ cấu điều chỉnh tiếp nhận tín hiệu điều khiển từ bộ thực hiện v{ l{m thay đổi khối lượng v{ dòng năng lượng của đối tượng được điều khiển. Thong thường, cơ cấu điều chỉnh l{ một bộ phận của đối tượng được điều khiển. Ví dụ, thanh răng v{ bơm cao |p của động cơ diesel. 1.2.18 Phần tử thực hiện cuối (Final control element) Phần tử thực hiện cuối l{ một nhóm c|c bộ phận điều chỉnh nhận tín hiệu từ bộ chế biến tín hiệu, hoặc từ bộ điều khiển v{ l{m thay đổi trực tiếp biến t|c động. Như vậy, nó thường bao gồm bộ thực hiện v{ cơ cấu điều chỉnh. 1.2.19 Biến tác động u(t) (Manipulated variable) Biến tác động u(t) l{ biến của qu| trình (đối tượng được điều khiển), được bộ điều khiển thay đổi (gia công) nhằm l{m thay đổi gi| trị của biến được điều khiển. Đôi khi, nó được gọi l{ đầu v{o (input), hoặc t|c động v{o điều khiển (control input) của đối tượng được điều khiển. Biến n{y chính l{ đầu ra của bộ điều khiển, hoặc nếu kh}u trợ lực được sử dụng thì nó l{ đầu ra của kh}u trợ lực (Actuator). 1.2.20 Tín hiệu tác động (Actuating signal) Tín hiệu t|c động l{ tín hiệu ra từ bộ xử lý, được gửi đến phần tử thực hiện. Đ}y l{ tín hiệu trung gian của biến t|c động. 1.2.21 Nhiễu loạn (Disturbances) Nhiễu loạn l{ c|c biến số D(t) m{ ta không điều khiển được của qu| trình và chúng có ảnh hưởng đến gi| trị của biến được điều khiển theo hướng ta không mong muốn. Có rất nhiều dạng nhiễu t|c động lên hệ thống. Trong đó, tải của hệ thống l{ một nhiễu lớn nhất, chủ yếu của hệ. Trang - 13 -
  13. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương 1.2.22 Tải của hệ thống (Load) Tải của hệ thống l{ phần năng lượng, vật chất tiêu thụ của hệ thống. Ví dụ, với phòng học m|y lạnh thì tải l{ nguồn nóng ph|t ra từ người học. Với động cơ lai m|y ph|t điện thì công suất điện tiêu thụ bởi c|c thiết bị điện l{ tải của hệ. Với diesel lai ch}n vịt thỉ công suất tiêu thụ trên trục ch}n vịt l{ tải. Đó chính l{ phần công suất cần thiết để l{m một ch}n vịt quay được trong nước với tốc độ góc mong muốn. 1.2.23 Phân biệt biến số và thông số (variable vs. parameter) Biến số (variable) l{ một đại lượng biến đổi được hoặc điều khiển được của một hệ thống, mà nó đang thay đổi theo thời gian. Như vậy, biến số l{ một đại lượng của quá trình, v{ l{ h{m của thời gian. Thông số (parameter) l{ một đại lượng biến đổi được hoặc điều khiển được của một hệ thống, m{ nó tạm thời được coi l{ không đổi, gi| trị tương ứng của nó dùng để ph}n biệt những trạng th|i riêng kh|c nhau của hệ thống đó. Như vậy thông số l{ một gi| trị của một đại lượng ở một trạng th|i. Nó có thể l{ một gi| trị của một biến ở một thời điểm cụ thể. Sự kh|c nhau giữa thông số v{ biến số l{ ở chỗ: ở một sự ph}n tích cho trước về một hệ thống, thì biến số được phép phụ thuộc v{o thời gian, còn thông số thì không. Điều quan trọng l{ ở một ph}n tích cho trước, thông số không phụ thuộc v{o thời gian, nó được giữ không đổi. Thông thường, gi| trị cho trước l{ một thông số chứ không phải l{ biến số, vì bình thường nó được đặt ở một gi| trị n{o đó, rồi ta để mặc đó. 1.3 Các nguyên lý điều khiển cơ bản nhất Trong điều khiển tự động cổ điển, có hai nguyên lý điều khiển cơ bản sau đ}y thường được ứng dụng trong thực tế, đó l{ điều khiển theo độ lệch v{ điều khiển theo bù trừ nhiễu. 1.3.1 Nguyên lý điều khiển theo độ lệch (feedback control) Hệ thống điều khiển theo nguyên lý độ lệch được hoạt động như sau. Lấy ví dụ trên HÌNH 1-3. Biến được điều khiển (h) (mực nước trong két) thường xuyên được đo v{ chuyển tín hiệu tới bộ điều khiển. Tại đ}y, nó được so s|nh với gi| trị mong muốn (hr) của biến được điều khiển (h) (mực nước), cho ra độ lệch e(t) = hr – h. Bộ điều khiển sẽ căn cứ v{o độ lệch n{y m{ chế ra tín hiệu t|c động điều khiển u(t) để gửi tới cơ cấu thực hiện nhằm điều tiết mức c}n bằng năng lượng / vật chất v.v. theo hướng duy trì biến được điều khiển về gi| trị gần với gi| trị cho trước. Giả sử mực nước trong két tăng lên cao hơn mức mong muốn (hr), độ lệch e(t) = hr – h < 0, khối chế biến tín hiệu sẽ gia cong tín hiệu u(t) l{m đóng bớt van nước cấp lại. Do đó, mực nước trong két sẽ thấp xuống trở lại. Như vậy, tổng qu|t, bộ điều khiển hoạt động theo nguyên lý độ lệch luôn đo gi| trị thực của biến được điều khiển y(t), rồi biến đổi gi| trị n{y th{nh c(t), rồi so s|nh gi| trị đó c(t) với gi| trị cho trước ( r) để tìm ra độ lệch e(t) = r – c(t). Khối chế biến tín hiệu điều khiển sẽ chế biến tín hiệu độ lệch e(t) th{nh tín hiệu t|c động u(t) theo một quy luật n{o đó, ví như tỷ lệ, u(t) = Kp x e(t), để t|c động v{o nguồn cấp / thoát năng lượng / vật chất cho hệ theo hướng l{m cho hệ thống c}n bằng năng lượng / vật chất trở lại, nhờ đó m{ gi| trị Trang - 14 -
  14. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương thực của biến được điều khiển y(t) có xu hướng phục hồi lại gi| trị ban đầu, hoặc thay đổi được theo sự thay đổi của gi| trị cho trước ( r). Nhận xét Bộ điều khiển hoạt động theo tín hiệu độ lệch e(t), vậy phải có e(t) thì hệ mới hoạt động, m{ muốn có độ lệch thì phải chờ cho có t|c động thực của sự mất c}n bằng năng lượng cấp / tho|t của đối tượng được điều khiển, do vậy có tính trễ trong hoạt động điều khiển. Do thường xuyên đo gi| trị của biến được điều khiển cho hoạt động điều khiển, cho nên biến được điều khiển thường xuyên được gi|m s|t v{ điều khiển kh| kịp thời, cho nên không ra c|c sai lệch lớn giữa biến được điều khiển v{ gi| trị mong muốn của nó, e(t) = r – c(t). Vì vậy, bộ điều khiển n{y hoạt động kh| tin cậy, nguyên lý cấu tạo đơn giản, đ|p ứng kh| tốt, v{ có thể dùng độc lập được. Hình 1-5: Sơ đồ khối minh họa một hệ điều khiển theo độ lệch (có phản hồi) Sơ đồ khối của một hệ điều khiển theo độ lệch (có phản hồi) được thể hiện trên HÌNH 1-5. Trong đó, mạch cảm biến chính (đo v{ biến đổi chuẩn gi| trị của biến được điều khiển) l{ mạch khép kín sơ đồ khối của hệ thống. 1.3.2 Nguyên lý điều khiển tiếp tới (bù trừ nhiễu - feedforward control) Khác với nguyên lý điều khiển theo độ lệch, trong hệ điều khiển tiếp tới (bù trừ nhiễu) thì biến được điều khiển y(t) không được đo v{ kiểm so|t, nghĩa l{ không có phản hồi về gi| trị của biến được điều khiển. Thay v{o đó, hệ thống lại thường xuyên đo sự thay đổi của nhiễu D(t), từ đó chế biến ra tín hiệu t|c động điều khiển u(t) l{m thay đổi năng lượng / vật chất cấp trước khi biến được điều khiển kịp thay đổi gi| trị thực của nó theo t|c động của nhiễu. Do vậy m{ gi| trị thực của biến được điều khiển thường xuyên được duy trì Trang - 15 -
  15. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương theo gi| trị m{ ta tưởng tượng nó đ|ng có. Đ}y l{ một dạng đặc biệt của điều khiển mạch hở. Hình 1-6: Minh họa về nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển bù trừ nhiễu Ta xem xét ví dụ HÌNH 1-6. Biến được điều khiển l{ mực nước (h) thì không được đo. Bộ điều khiển đo thường xuyên một nhiễu l{ độ mở van tho|t (hv) chẳng hạn. Sau đó, độ mở van tho|t (hv) có thể được so s|nh với gi| trị đặt trước cho độ mở van thoát (hvr), rồi cũng xuất ra độ lệch e(t) = hvr-hv chỉ của độ mở van tho|t, tức l{ của nhiễu. Từ đó ra quyết định điều khiển độ mở van cấp nước (hc) sao cho mực nước (h) trong két không đổi. Ở đ}y tiềm ẩn một nguy cơ. Giả sử van tho|t tăng thêm độ mở tương đương với lượng tăng lưu lượng nước tiêu thụ l{ 10 l/s, thì mực nước trong két sẽ giảm xuống. Hệ điều khiển đưa ra quyết định điều khiển đón trước sự thay đổi mực nước (sẽ giảm) bằng c|ch tăng độ mở van cấp một lượng (dhv) tương đương với 10 l/s. Như vậy, lượng nước trong két được cấp bù trước, cho nên mực nước (h) sẽ gần như không thay đổi. Vậy l{ việc điều khiển có tính đón đầu, rất nhanh, biến được điều khiển ít bị thay đổi (đô lệch nhỏ). Tuy nhiên do có sai số, cho nên giả sử lưu lượng nước cấp v{o l{ 9,9 l/s (sai số 1%), thì giả như sau 3,600 s lượng thiếu hụt nước v{o két sẽ l{ 3,600 (s) x 0.1 (l/s) = 360 lít. Nếu dung tích két l{ 360 lít thì như vậy sau một giờ két nước th{nh két rỗng! Trang - 16 -
  16. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Chính vì tính tích lũy sai số v{ không có cơ chế kiểm so|t để duy trì gi| trị biến được điều khiển nằm trong dải giới hạn an to{n, cho nên trong c|c hệ thống có nhiễu lớn thì bộ điều khiển hoạt động thuần túy theo bù trừ nhiễu không được hoạt động độc lập. Xem sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động cơ bản của một hệ thống điều khiển kiểu bù trừ nhiễu trên HÌNH 1-7. Lưu ý rằng gi| trị cho trước b}y giờ l{ dr, l{ của nhiễu, chứ không phải l{ của biến được điều khiển. T|c động điều khiển được gia công từ độ lệch của nhiễu e*(t). Hình 1-7: Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hoạt động theo nguyên lý bù trừ nhiễu (feedforward control) 1.3.3 Bộ điều khiển nhiều xung (multi-element controller) Để tích hợp được c|c ưu điểm của bộ điều khiển hoạt động theo nguyên lý bù trừ nhiễu như tính nhanh nhạy, tính điều khiển đón đầu v{ khả năng duy trì chính x|c gi| trị của biến được điều khiển khi tải của đối tượng được điều khiển thay đổi, người ta thường chỉ kết hợp hoạt động điều khiển bù trừ nhiễu v{o với hoạt động điều khiển theo độ lệch, l{m th{nh c|c bộ điều khiển nhiều xung (multi-element controller). Trang - 17 -
  17. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Hình 1-8: Hệ điều khiển mực nước hai xung, kết hợp độ lệch và bù trừ nhiễu Ví dụ, xem HÌNH 1-8, nếu ta kết hợp độ lệch mực nước (xung chính) với một xung nhiễu l{ độ mở van tho|t, ta có bộ điều khiển 2 xung. Nếu thêm một xung |p suất nước cấp nữa chẳng hạn, ta có bộ điều khiển 3 xung. Áp suất nước cấp thay đổi thì với cùng một độ mở van cấp, lưu lượng nước cấp cũng thay đổi theo. Mực nước sẽ bị ảnh hưởng. Vậy |p suất nước cấp l{ một xung nhiễu thứ hai. Trong c|ch kết hợp như trên, biến được điều khiển được đo v{ được điều khiển chủ yếu bởi hoạt động điều khiển độ lệch. C|c tín hiệu đo được từ nhiễu (độ mở van tho|t, |p suất nước cấp) thường được đưa về một bộ cộng tín hiệu để bù trừ với gi| trị đặt trước (r ) của hoạt động điều khiển độ lệch, từ đó l{m tăng cường hoạt động điều khiển của hoạt động theo độ lệch đủ bù tốt cho sự t|c động của nhiễu đến biến được điều khiển. Ví dụ, khi độ mở van tho|t tăng thêm một lượng l{ (dhv), xung nhiễu (dhv) n{y sẽ cộng v{o gi| trị cho trước của mực nước (hr), th{nh ra hr* = hr + dhv cao lên, như vậy thì mực nước (h) đang bình thường b}y giờ trở th{nh thấp nhiều hơn so với hr* mới, độ lệch mới [e*(t) = hr* - h- lớn lên nhiều so với độ lệch truớc đó ,e(t) = hr – h]. Do đó, bộ điều khiển theo độ lệch hoạt động tức thì, t|c động điều khiển ,ví dụ là tỷ lệ, u(t) = Kp × e∗ (t) ] có cường độ lớn hơn, mực nước được bù trừ sớm hơn v{ nhanh hơn, đương nhiên l{ ổn định hơn. Trang - 18 -
  18. Điều khiển tự động (1) – Bùi Hồng Dương Sơ đồ khối của một hệ điều khiển hai xung, kết hợp độ lệch v{ bù trừ nhiễu được minh họa trên HÌNH 1-9. Hình 1-9: Sơ đồ khối thể hiện nguyên lý hoạt động của một hệ điều khiển 2 xung, kết hợp độ lệch và bù trừ nhiễu 1.4 Phân loại bộ điều khiển C|c bộ điều khiển trong c|c hệ cơ khí, công nghiệp v.v. có thể được được ph}n loại bằng c|ch xét xem chúng có tự động hay không, theo vị trí lắp đặt c|c phần tử, theo chúng điều khiển c|i gì, theo h{m to|n m{ chúng thực hiện, theo công chất được sử dụng v.v. Các c|ch ph}n loại n{y giúp c|c th{nh viên nhóm l{m việc có thể liên lạc tốt với nhau, dễ hiểu về cùng một công việc chung. Bộ điều khiển tự động có thể tự thực hiện một số c|c hoạt động điều khiển m{ không cần sự t|c động trực tiếp của con người. Có thể tóm lược c|c c|ch ph}n loại trên như sau. Theo mức tự động  Tự động.  Bán tự động.  Bằng tay. Theo vị trí đặt các phần tử  Tại chỗ. Trang - 19 -
Đồng bộ tài khoản